CN100535239C - 减少用于制造纤维强化水泥复合材料的纤维素纤维的杂质的制造方法 - Google Patents

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Abstract

在此记述一种制造高纯度纤维水泥等级的纤维素纤维的方法。额外的清洗步骤，结合高温，使用于此方法中以彻底清洗纸浆，且基本上移除所有残留在纸浆中的COD成份。纸浆是经由扩散反向流动地清洗且于褐色原料洗涤器系统之后在高温下脱水。于额外清洗步骤中，将纸浆在反向流动的热水中浸泡预定的时间，且可引入一些化学物质而其可化学分解在纸浆中的COD成份且使其更可溶解的于水溶液中。此额外的清洗步骤的执行可使用在常规的纸浆磨机中现有的设备。在此还记述使用低COD且高纯度纤维素纤维而制作纤维强化水泥复合材料的配方及方法。带有较低COD含量的纸浆在生产纤维强化水泥复合材料上具有优越的性能。相较于一般的纤维素纤维而言，仅须要较小量的此低COD且高纯度纤维即可达成相同补强效率。

Description

减少用于制造纤维强化水泥复合材料的纤维素纤维的杂质的制造方法
技术领域
本发明涉及纤维素纤维。具体地说，本发明涉及一种减少纤维素纤维中杂质的方法。此外，本发明还揭示使用低杂质纤维素纤维制作的纤维素纤维强化水泥复合材料的配方、生产方法及最终产物。
背景技术
纤维强化的产物如建筑薄片、板、厚板、及屋顶材料在建筑建造的使用已超过一百年。使用于该建筑产物的补强纤维包含石棉纤维、纤维素纤维如那些叙述于在此结合作为参考的澳大利亚专利No.515151及美国专利No.6,030,447中所述的纤维素纤维、金属纤维、及玻璃纤维及其它天然的及合成纤维。目前，纤维素为使用于大部分商业纤维强化的建筑材料中较佳的纤维之一，因为纤维素纤维是有效的、低成本、可再利用的天然的产物、兼容于大部分常规的纤维水泥制造方法，包含精制及热压。
然而，大部分纤维强化水泥复合材料的性质及性能特性系高度取决于所使用纤维的品质。例如，纤维素纤维有时含有杂质而可能有害地影响纤维水泥复合材料的性质。尤其，有害的有机化合物于碎浆加工期间有时会陷入纤维素纸浆的内部空孔及空穴。此类有机化合物包含木质素及其它芳香族成份，木糖化合物包含己糖(葡萄糖、甘露糖、及半乳醣)及戊糖(木糖及阿拉伯糖)，木糖衍生物如葡萄糖酸及甘露糖酸、脂肪酸、树脂酸、来自木材的其它有机化合物包含萃取物及纤维素的降解断片、半纤维素及木质素。除有机化合物之外，此杂质也可包含小量的已氧化的无机化合物。此类杂质有时集体称为化学需氧(COD)成份。
各项COD成份对纤维水泥反应具有特定程度的负面影响，特别对水泥水合工序。在生产纤维水泥复合材料中自纸浆释出的所有COD化合物的集体效应，可显著的减弱介于纤维素纤维与在纤维水泥基质中其它无机成份之间的黏合，其中纤维素纤维系典型地用作为补强剂。此现象有时称为水泥中毒。此外，于生产纤维强化水泥复合材料期间，自纸浆中释出的COD杂质的累积可能严重地污染加工水。此类与COD杂质相关的不良副作用最后将造成最终纤维水泥产物的失效。
针对此类问题，大部分常规的纸浆制造方法包含一系列清洗步骤，设计用以去除残存的化学物质且降解内含在此纸浆的木材成份。于此类清洗步骤期间，典型地将纸浆用一系列真空、旋转或压力褐色原料洗涤器作清洗，于约55℃至65℃的温度下，自纸浆去除残存的化学物质。然而，因为相对地短滞留时间及有限的清洗效率，此类方法经常未能自纤维素纸浆中去除所有COD杂质。在许多案例中，大量的COD物质保持陷在纤维巢室壁的空穴(内腔)及空孔的内部，且带入纤维水泥制造工序中，其可有损害地影响最终产物的性质且严重地污染加工水。
因此，由前所述，可以理解需要一种在碎浆加工期间可基本上自纤维素纤维除去所有杂质的方法。还需要一种用于纤维强化水泥复合材料的低杂质及高性能纤维素纤维的制造方法。为达此目的，特别需要一种可显著地降低在纸浆中COD成份的含量，且可经由使用常规的纸浆制造设备而实施的纤维素纸浆制造方法。
发明内容
在一个方面，本发明较佳的实施方案揭示一制作用于纤维素纤维强化水泥复合材料的低杂质及高性能纤维的方法。较佳的方法包含将纤维在一水溶液之中加工预定的滞留时间，于高温条件之下，且对溶液提供搅拌以使增进杂质自纤维的空孔及小腔的扩散。在一实施方案之中，在溶液中将纤维浸泡及反向流动清洗。较佳地，溶液温度介于约65℃至120℃之间。较佳地，滞留时间介于约1至36小时之间。在一实施方案之中，将纤维加工包含将纤维在一系列清洗系统中浸泡，较佳地，在一系列的清洗系统的各项之中浸泡约30分钟至2小时。
在另一实施方案之中，将纤维加工包含将纤维浸泡在至高达六个反应器之中。此反应器可为漂白塔或一系列连续堵流漂白反应器。可将纤维浸泡在一漂白反应器之中接着浸泡在漂白原料洗涤器之中。较佳地，此方法可自纸浆中除去大部分的杂质，如COD化合物。在一实施方案之中，将纤维加工包含将至少一种化合物引入此溶液中，于其中使化合物与COD化合物起化学反应且导致化合物变为更可溶解在水溶液中。此化学物质可选自一类群，此类群是由氧、臭氧、过氧化氢、及其混合物的化学物质所组成。此外，在纤维加工之前，纤维可在褐色原料洗涤器系统之中清洗，较佳地在大于约65℃的高温下。较佳地，各纸浆维持于纸浆浓度在约1％至30％。于延长浸泡周期期间，纸浆内的杂质将自纤维巢室壁的内部扩散，此是经由浓度梯度而驱动。此外，高温也显著地增加杂质的扩散运输速率。
本发明较佳实施方案的方法可以各种方案及设备系统的方法而执行，如现有的在大部分纸浆磨机中的漂白及清洗系统，较佳地，此清洗系统选自一类群，此类群由下列所组成：洗涤器、贮存槽、反应器、混合器、搅拌器、泵、离心机及滤膜压机。此清洗系统可包含漂白反应器、漂白原料洗涤器、纸浆运送泵、纸浆分散/扩散螺杆进料器、原料混合器与搅拌器、漂白原料贮存塔及漂白原料稠料器。
在此记述的方法是特别地创新的，因为在纤维加工工业实际教示中针对纤维水泥复合材料应用的常规的知识中，清洗纸浆中未使用高温、长的浸泡周期及机械搅拌。一般相信在高温、延长浸泡及机械的作用将会降低纤维强度，如抗张强度等。相反于一般的知识，本发明较佳的实施方案显示在高温下于较佳的条件之下清洗纸浆，可有效地自纤维纸浆移除更多杂质，而无损于纤维强度及其它需要的纤维性质。例如，经由较佳的方法加工的纸浆中COD含量可降低在大于约40％，造成COD含量在少于约5公斤/一吨的箱干燥纤维。使用带有COD含量在少于约5公斤/一吨的纸浆的高纯度纤维在生产纤维强化水泥复合材料中，将实际改良纤维水泥复合材料的物理及机械性质，如破裂模量(MOR)、弹性模量(MOE)、极限应变及韧性能量。此外，使用低COD纤维还可在纤维强化水泥复合材料的生产期间大幅地降低加工水的污染。
有利地，本发明方法较佳的实施方案提供成本有效的方法，以自纤维中基本上去除所有杂质，如COD成份。此方法的执行可使用可在大部分纸浆磨机得到的现有的设备。此外，在生产纤维水泥等级纸浆上应用此方法将可降低COD含量至高达一半或更多，而未降低纤维的物理及机械性质。使用低COD纸浆在生产纤维水泥复合材料将造成对加工水较少的污染且降低对新鲜水的使用。
本发明较佳的实施方案还揭示制作带有低COD纤维的纤维强化水泥复合材料的配方。一项本发明的较佳的配方如下：
·约2％至20％低COD纤维素纤维(或低COD纤维、天然的无机纤维、及/或合成纤维的组合物)；
·约10％至80％水泥或其它水性黏合剂；
·约20％至80％二氧化硅或其它粒料；
·约0％至50％轻量密度改良剂；及
·约0％至10％添加剂。
本发明较佳的实施方案揭示一种使用低COD纤维制造纤维强化的复合材料的方法。此方法的第一步骤是经由减少纤维素纤维中杂质而制备低COD纤维。此较佳地此项的完成是经由将纤维在一水溶液之中处理预定的反应时间，而维持溶液温度高于约65℃，且对溶液提供搅拌以增进杂质自纤维的空孔及小腔扩散。依据各实施方案制造纤维水泥的方法，其中宜包含以上确认的步骤，及以下额外的步骤；
·将低COD纤维加工(纤维化、分散、去纤维化等)；
·将此纤维混合以水泥黏合剂及其它成份以形成纤维水泥混合物；
·将此纤维水泥混合物形成为预先选择的形状及尺寸的纤维水泥物品；及
·将此纤维水泥物品硬化以形成纤维强化的复合材料建筑材料。
在本发明的另一个方面中，提供一种碎浆方法。此方法包含提供去木质素的纤维物质且将此纤维物质转化成纤维纸浆。在高于约65℃的高温下清洗纸浆，所使用的方法用以自纸浆中移除大部分的COD成份，额外清洗循环将此纸浆加工以基本上去除所有残留的COD杂质。
在依据较佳的配方及方法之中，将低COD纤维使用于生产纤维强化水泥复合材料的优点包含但不限于：
·增进机械的及物理性质如破裂模量(MOR)、弹性模量(MOE)、极限应变及韧性能量；
·较少的加工水污染，由于杂质自纤维素纸浆溶出，且需要的新鲜水较少；
·仅须要较少的纤维即可达成相同补强效率。
由以下描述与附图，此类及其它目的及优点将变得明显。
附图说明
图1为制造纤维水泥等级纤维素的纸浆的较佳方法的流程图，其中可基本上降低在纤维素纸浆中COD含量；
图2为于其中加入低COD且高纯度纤维的纤维强化水泥复合材料较佳制造方法的流程图；
图3阐明介于在纸浆中COD含量与最终纤维水泥产物的强度之间的关系，以及于生产纤维水泥材料期间加工水污染的程度。
具体实施方式
本发明较佳的实施方案描述在水泥纤维强化的复合材料中制备及应用低杂质纤维，此类实施方案不仅包括自纤维中去除COD成份的方法，还包括用低COD且高纯度纤维的纤维来生产强化的复合材料的配方及生产方法，以及最终产物的性质。自纸浆中去除杂质的处理也可结合其它纤维处理而实施，如将纤维上浆以改良其拒水性，纤维的填充(loading)及纤维的抑菌剂处理。可理解本发明的观点不仅适用于纤维素纤维强化的水泥产物，且据此，记述在此的技术也可施用于以其它纤维强化在非水泥产物中的建筑材料。
图1阐明一较佳的方法100，用于制造低杂质及高性能纤维素纸浆的等级纤维水泥。方法100开始于步骤102，其中将纤维材料如木屑注入蒸煮器/反应器以进行去木质化。于将木屑注入蒸煮器之后，在步骤104中将选择一种或更多种化学物质引入蒸煮器中以增进去木质化反应。取决于碎浆方法，此化学物质可包含氢氧化钠、氢氧化钠合并硫酸钠、氢氧化钠合并硫酸钠加上添加剂AQ、氢氧化钠加上添加剂AQ、及二氧化硫。较佳地，去木质化反应发生在蒸煮器中在介于约150℃至250℃之间的高温条件之下进行约30分钟至5小时。在某些实施方案中，可调整在蒸煮器中的加工条件如使用碱、烹煮温度或目标卡帕(Kappa)数字等以照顾到后续的清洗步骤。
如展示于图1，于去木质化反应之后，在步骤106中加工木屑将自蒸煮器排出至槽中，利用高压分化蒸煮器的内部及外面。于排放期间借助于由于压力下降而使屑片扩张，将加工屑片分离为个别纤维，被称为纸浆。在此阶段形成的纸浆典型地呈褐色，且如此通常被称为褐色原料。
如图1进一步的阐明此纸浆接着在步骤108中经历一系列清洗步骤。较佳地，经由一系列真空、旋转或加压的褐色原料洗涤器在高温下将纸浆作反向流动清洗，以去除大部分的残存的化学物质及降解内含在此纸浆的木材成份。不像常规的纸浆清洗循环彼典型地未施用任何加热而执行，较佳的清洗方法系在高温下，较佳地大于约65℃，更佳者介于约65℃与120℃之间，可方便实施而使用现有的设备且不引起任何基本上对纤维的损害。也可将一些化学物质加入在此步骤中以促进清洗且增加清洗效率。可使用的化学物质包含氧、臭氧、及过氧化氢等。大多数停留在纤维外的杂质可经由此步骤移除。
在清洗步骤108之后，方法100进一步的包含额外的扩散清洗方法在步骤110中，其中将纸浆作进一步的透彻的清洗而基本上去除尚未经由褐色原料洗涤器移除的所有残留在杂质，如COD成份。较佳地，在常温或高温下，使用轻微的机械搅动，将纸浆作透彻的反向流动的清洗流程。彻底清洗的执行可经由使用各种不同的清洗系统如洗涤器、贮存槽、反应器、混合器、搅拌器、泵、离心机，滤膜压机或此类系统的任何组合。在本发明较佳的实施方案之中，清洗的执行是使用现有的大部分纤维水泥纸浆磨机中的漂白设备。尤其，可非限定性地使用下列设备：
·漂白反应器；
·漂白原料洗涤器；
·纸浆螺杆进料器；
·原料混合器/搅拌器；
·漂白原料贮存塔；
·漂白原料稠料器；及
·中与低浓度泵。
较佳地，将加热的新鲜水引入此洗涤器系统呈反向流动以将水的使用降至最低且使清洗效率增加至最大。此外，来自洗涤器的其中内含COD的用过的水宜运送至水处理工厂或化学回收系统。
在一实施方案之中，步骤110包含将纸浆浸泡在一系列连续堵流或半连续漂白反应器中延长期间，在介于约65℃至120℃之间的高温下，在各反应器中保持介于约30分钟至2小时之间，于各个反应器之后接着作脱水加工。较佳地，各个反应器接着一清洗系统以去除其中内含COD的水。纸浆在所有反应器中的累计滞留时间较佳地不超过约36小时，更佳者介于约2至30小时之间。此允许基本上所有COD及其它杂质可扩散出纤维而未牺牲纤维强度。此外，纸浆在反应器中宜维持于纸浆浓度在约1％至30％。有利地，高温清洗加上延长保持时间将允许残留在COD及其它杂质可自纤维巢室壁的内部及内腔扩散出。此外，经由漂白反应器提供的机械搅拌也可促进自纸浆去除COD成份及其它杂质。
在另一实施方案之中，步骤110包含将纸浆经由漂白原料洗涤器接着作一或更多漂白反应器加工。漂白原料洗涤器可为真空、压力、旋转或扩散型态，且用以进一步地自纤维分离COD化合物。漂白原料反应器可包含那些用于氧去木质化、氯化、碱性萃取、氯化物二氧化物漂白、过亚氯酸盐漂白、臭氧漂白、过氧化氢漂白、钠过氧化物漂白及其类似者。为增加COD移除的效率，纸浆的加工宜经由多重对的漂白反应器及漂白原料洗涤器呈连续及/或平行进行。
而在另一实施方案中，于步骤110中彻底清洗加工期间，将化学物质引入纸浆淤浆中，以于清洗中促进去除COD杂质。较佳地，此化学物质可与COD成份选择地反应且将各成份断裂为较小的断片。此化学物质可包含氧、臭氧、过氧化氢、或任何其它能与COD化合物反应者，且造成化合物变为更可溶解在水溶液中。有利地，在步骤110的彻底清洗的方法中加入此类化学物质将显著的提高COD移除的效率。此外，步骤110的彻底清洗的方法可施用于各种不同的碎浆方法，非限定性地包括：
·牛皮纸；
·牛皮纸-AQ；
·小苏打；
·小苏打-AQ；
·牛皮纸-氧；
·氧去木质化；
·有机溶剂制浆；
·亚硫酸盐制浆；
·蒸汽爆炸制浆；及
·其它碎浆技术。
在步骤110的彻底清洗的方法之后，在步骤112中将纸浆运送至纸浆机器以形成纸浆叠片或卷状，以用于制作纤维强化水泥复合材料。
表1阐明经由本发明较佳的实施方案的方法制造的纸浆，与那些经由常规的一般温度清洗技术加工的纸浆的纤维的性质比较。在此特别的范例中，木材物种主要为Douglas冷杉(＞90％)且使用牛皮纸碎浆方法。针对依据较佳的方法制作的纸浆试样，使用包括氧去木质素及过氧化物漂白反应器及所对应的洗涤器系统的六个漂白反应器，呈连续使用，以在褐色原料清洗之后将纸浆加工。于彻底清洗加工期间无化学物质引入。在彻底清洗方法中的总滞留时间约12小时且清洗温度介于约90℃至98℃之间。针对纸浆试样制作是依据常规的清洗技术，使用相同清洗周期与相同保持时间12小时。然而，清洗温度为介于约55℃至60℃之间。
表1：产自一般方法与较佳方法的纤维的关键性质
  清洗流程   COD含量(公斤/吨纸浆)   钠含量(公斤/吨纸浆)   平均纤维长度(mm)   纤维强度(ZST湿)(km)
  常规的加工温度(55-60℃)   5   0.49   2.73   11.76
  高温(90-98℃)   2.8   0.21   2.71   11.81
如表1所示，在高温下彻底清洗可降低纸浆中COD含量及钠含量约50％。COD及钠含量一般是纸浆洁净度或清洗彻底度的指针。COD含量的测量是经由首先将纤维分散入0.01N的NaOH溶液中，在约3200rpm将溶液掺合约10分钟，然后用Watman#3定性滤纸将纸浆过滤以得到滤液，且滤液COD含量的测量是依据Hach方法8000(重铬酸盐反应器水解与比色法的测量)。钠含量测量是依据TAPPI方法T 266om-88(TAPPI；纸浆与纸工业技术协会，美国)。
此外，如表1展示，本发明方法较佳的实施方案的彻底清洗不会牺牲关键性的纤维性质如纤维长度及纤维强度，当针对经由彻底清洗方法在高温加工的试样与那些加工经由常规的清洗循环加工的试样，此二种性质的值基本上保持相同。重量平均纤维长度的测量是经由FS-200(一种纤维分析器，由Valmet制作)。0跨度抗张(ZST)纤维强度测试是依据TAPPI方法T231om-85。有利地，本发明较佳实施方案的制浆方法可施用于生产纤维水泥等级纸浆，且可降低纤维纸浆的COD含量达到约50％或更多，而未有害地影响关键性纤维物理及机械性质。可知在合适的条件之下，纸浆COD含量可能降低达到约20％或更多。此外，此纸浆制造方法可使用在大部分纤维水泥加工磨机中现有的设备及方法，在一成本有效的方式之中实施。
一项纤维强化的复合材料的较佳配方将包含水泥黏合剂、粒料、低COD且高纯度纤维素纤维、密度改良剂、及各种添加剂以改良不同的材料性质。可理解不是所有此类成份为配料适合的建筑产物所必须，且如此，在特定实施方案中，此配方可简单地包含水泥黏合剂及低COD纤维素纤维。在此记述的大部分的实施方案可包含以下配方：
·约10％-80％的水泥黏合剂，
·约20％-80％的二氧化硅(粒料)；
·约0％-80％的密度改良剂；
·约0％-10％的添加剂；及
·约0.5％-20％的低COD且高纯度纤维素纤维或下列组合物：低COD纤维素纤维及/或天然的无机纤维、及/或合成纤维；及/或一般的纤维素纤维。
低COD纤维较佳地意指一种纤维，其具有COD含量少于约5公斤/吨，更佳者在少于约3.5公斤/一吨的纸浆。
水泥黏合剂较佳地为波特兰水泥，但也可为，但不限于，高氧化铝水泥、石灰、高磷酸盐水泥、及碾磨粒化的熔矿炉熔渣水泥、或其混合物。
此粒料较佳地为碾磨的二氧化硅沙，但也可为，但不限于，非结晶形的二氧化硅、微二氧化硅、地热二氧化硅、硅藻土、煤燃烧的飘扬灰烬与底部灰烬、稻壳灰烬、熔矿炉熔渣、粒状熔渣、钢熔渣、矿物氧化物、矿物氢氧化物、黏土、菱镁矿、或白云石、金属氧化物及氢氧化物、及聚合的珠粒、或其混合物。
密度改良剂可为有机及/或无机轻量的材料彼密度在少于约1.5g/cm3。此密度改良剂可包含塑料材料、膨胀的聚苯乙烯、其它发泡聚合物材料、玻璃及陶瓷材料、硅酸钙水合物、微球体及火山灰彼包含珍珠岩、浮石、希莱石(shirasu)、沸石呈膨胀形式者。此密度改良剂可为天然的或合成的材料。
添加剂可包含但不限于黏度改良剂、阻焰剂、防水剂、二氧化硅烟、地热二氧化硅、黏稠剂、颜料、着色剂、塑化剂、分散剂、成形剂、绒毛剂、排水助剂、湿与干燥强度助剂、硅酮材料、铝粉末、黏土、高岭土、氧化铝三水合物、云母、变高岭土、碳酸钙、硅矿石、及聚合的树脂乳液、或其混合物。
此低COD且高纯度纤维素纤维较佳地为个别处理的纤维，且为未精炼的/未纤维化的或精炼的/纤维化的纤维素纸浆，而其来源包含但不限于漂白的、未漂白的、半漂白的纤维素纸浆，其制作是由碎浆方法如牛皮纸、牛皮纸-AQ、氧去木质化、有机溶剂纸浆、亚硫酸盐纸浆、蒸汽爆炸碎浆或任何其它碎浆技术。纤维素纸浆其制作可源自软木材；硬木材、农艺生料、回收废纸或任何其它形式的木质纤维素材料。
较佳地，低COD且高纯度纤维带有自由度在150至600度的加拿大标准自由度(CSF)，其是依据TAPPI方法T 227om-99。水泥及二氧化硅宜分别带有表面积在约250至400m2/kg及约300至450m2/kg。水泥与二氧化硅两者的表面积其测试是依据ASTM C204-96a。
测试结果-机械与物理性质
在纤维强化的复合材料中使用低COD且高纯度纤维可合意地改良最终建筑产物的机械及物理性能。使用低COD且高纯度纤维素纤维的纤维水泥产物具有改进的物理及机械性质。
表2：使用低COD纤维素纤维及高COD纤维素纤维的纤维水泥复合材料的关键性机械性质
  纤维水泥复合材料试样   在烤箱干燥的纸浆中的COD含量(公斤/吨纸浆)   在4％纸浆淤浆中COD含量(毫克/L)   破裂模量(MOR)(MPa)   弹性模量(MOE)(GPa)   极限应变(um/m)   韧性(J/m3)
  A   5   63   6.16   2.29   6003   4.58
  B   2.8   37   8.89   3.36   9304   6.43
表2是加入依据本发明较佳的实施方案制作的低COD纤维的配方的纤维水泥产品，与那些使用常规的纤维素纤维制作的纤维水泥产品的各种机械及物理性质之间的说明性比较。纤维水泥材料的原型试样其制作基于二相等的配方(A及B)。相等的配方在此定义为一个，其中较佳的低COD纤维取代以相等百分比的常规的纤维素纤维。配方A及B各自包含约35％波特兰水泥、约55％二氧化硅及约10％纤维。配方A含有高COD纤维而配方B使用低COD纤维。针对两者配方，其它纤维的关键性性质相同：纤维长度约2.58mm；Kappa数目，约26；且自由度约472CSF。Kappa与自由度的测量系分别地依据TAPPI方法T236及T 227om-99。两者纤维主要产自木材物种Douglas冷杉(＞90％)经由牛皮纸方法制作。首先在4％浓度将纤维精炼到预测定自由度，混合以其它成份且形成物品。然后将此物品在室温下预硬化12小时，且然后于180℃热压12小时。所有机械性质的测试系于湿条件之下，依据ASTM(美国标准测试方法)C1185-98a，其题目为″取样及测试标准测试方法，用于非石棉纤维水泥平薄片、屋顶及壁板、及隔板″。
表2显示在纤维水泥基质中加入低COD纤维可显著的改良纤维水泥复合材料的关键性物理及机械性质，当相较于使用相等的配方个不含有低COD纤维者制作的试样。例如，低COD纤维可改良破裂模量(MOR)达到约44％，弹性模量(MOE)达到约46％，极限应变达到约54％，及韧性达到约40％。
可以理解，经由变化清洗及/或其它加工条件，且据此经由降低在纤维中的COD含量，可选择地控制此类及其它性质的增进。如此，在一实施方案之中，低COD纤维可改良MOR达到约10％或更多，更佳者达到约20％或更多，当相较于相等的配方而采用高COD(即，等于或高于5公斤/一吨的纸浆)制作者。同样地，低COD纤维可改良MOE达到约10％或更多，更佳者达到约20％或更多。此低COD纤维也可改良极限应变达到约10％或更多，更佳者达到约20％或更多，低COD纤维也可改良复合材料建筑材料的韧性达到约10％或更多，更佳者达到约20％或更多。
由于低COD纤维的高补强效率，相较于一般的纤维，达成相同补强效率，需要的低COD且高纯度纤维的量较小。可以了解的是，在纤维水泥复合材料中加入低COD且高纯度纤维的优点可能不限于上述的配方及性质。
将低COD纤维加入纤维强化的复合材料建筑材料中较佳的制造方法，如以上在此记述者，一般包含以下步骤：
·制备内含低COD成份及其它杂质的纤维素纤维；
·将此低COD且高纯度纤维以预选择的浓度分散；
·将此低COD且高纯度纤维作纤维化至预选择的自由度范围；
·依据较佳的配方将此低COD且高纯度纤维与各成份混合以形成纤维水泥混合物；
·将此纤维水泥混合物制造/形成为预先选择的形状及尺寸的纤维水泥物品；及
·将此纤维水泥物品硬化以使形成纤维强化的复合材料建筑材料。
较佳地，将此低COD且高纯度纤维混合以其它成份以形成纤维水泥混合物的步骤，包含将低COD且高纯度纤维混合以非纤维原料料如水性黏合剂、粒料、密度改良剂、及添加剂，此是依据本发明的较佳的配方。某些实施方案中，此低COD且高纯度纤维也可混合以带有高COD含量的一般纤维素纸浆、天然的无机纤维及合成纤维。
图2阐明一较佳的方法200中制造纤维强化的水泥复合材料，于其中加入低COD且高纯度纤维素纤维。如图2展示，此方法由步骤202开始，其中基本上将在纤维素纤维中所有杂质已依据以上在此记述的方法移除。接着将此低COD且高纯度纤维在步骤204中加工。纤维加工步骤204典型地包含纤维分散及纤维化。在一实施方案之中，将纤维分散至浓度在约1％至6％，在一水动制浆机之中，也赋予一些纤维化。进一步的纤维化的达成可使用精制机或一系列的精制机而达成。一旦分散，然后将此纤维作纤维化而达到在约100至750度的CSF(加拿大标准自由度)范围，更佳者介于约180至600度的CSF之间。分散及纤维化也可由其它技术达成，如锤磨、去絮片、切丝、及其类似者。此外，针对一些产物及方法，使用未作纤维化的纤维也可接受的。在此步骤，大部分的残存在纤维中的COD杂质将释出而进入加工水之中。
如图2展示，在步骤206中，低COD纤维素纸浆的加工系成比例地混合以其它成份而形成水性混合物、淤浆、或糊状物。在一实施方案之中，将此低COD且高纯度纤维素纤维混合以水泥、二氧化硅、密度改良剂及其它添加剂，此在一习知的混合方法之中，以形成淤浆或糊状物。在混合器中，天然的无机及合成纤维可掺合入此低COD纤维。方法200之后为步骤208，其中将可将混合物形成″绿色体″或未硬化成形的物品，此如本领域普通技术人员已知的使用许多常规的制造，如：
·Hatschek片式方法；
·Mazza管式方法；
·Magnani方法；
·射出成形；
·挤出成形；
·手积层；
·模制；
·浇注成形；
·滤膜加压；
·长网造纸机成形；
·复线成形；
·间隔叶片成形；
·间隔滚动/叶片成形；
·贝耳滚动成形；及
·其它。
此类方法也可包含加压或物品成形之后的浮雕图案操作于。更佳的，不使用加压。用以达成最终产物的此加工步骤及参数使用Hatschek方法，其相似于叙述在澳大利亚专利No.515151中所述。
在步骤208之后，在步骤210中将此″绿色体″或未硬化成形的物品硬化。此物品宜预硬化至高达80小时，最佳地24小时或更短。然后将此物品作空气硬化大约30天，更佳者，将此物品在高温下热压而预硬化，且压力在一蒸汽饱和环境之中于约60至200℃，热压约3至30小时，更佳者约24小时或更短。选择用于预硬化且硬化方法时间及温度系取决于配方、制造方法、加工参数、及产物的最终形式。
图3显示纸浆中的COD成份对于释出至加工水中污染物的量以及纤维强化水泥复合材料的破裂模量(MOR)的效应。如图3所示，低COD纤维在0天标记加入，且在30天实验中，在加工水中的平均COD与MOR保持相当固定的。在第30天，将一般的纤维加入混合物中，造成加工水的污染增加或大量的COD释出进入加工水中，且最终水泥产物的减低破裂模量(MOR)(于硬化步骤210之后测量)。尤其，当使用低COD纤维，在加工水中平均COD约50毫克/L，而在实验中加入一般的纤维数周之后，在加工水中的平均COD可高达约115毫克/L。因此，使用低COD纤维可降低在加工水中COD的量达到约50％，相较于使用一般的纤维而未作如上述的处理者。然而，可以理解，在加工水中降低COD含量约10％或更多将可显著地增进纤维水泥复合材料的性质，且可用以在生产方法中降低新鲜水的使用。
使用在展示于图3范例中的低COD纸浆，是由使用叙述于以上实施方案中的彻底清洗技术所制作。此纸浆的自由度在约400CSF。而纤维水泥材料的制作是由Hatschek方法，且采用热压炉硬化技术。采用高COD纸浆制作的纤维水泥材料基于相等的配方，将其中低COD纸浆取代以等量的一般的纤维纸浆。在此范例中纤维水泥复合材料的配方内含：
·约8％纤维纸浆；
·约35％波特兰水泥；及
·约57％碾磨的二氧化硅
本发明较佳的实施方案提供一种技术，用以自纤维素纸浆中去除COD成份/杂质以生产纤维水泥等级纸浆。特别地，本发明较佳的实施方案揭示在纸浆加工循环中额外的彻底清洗方法，较佳地于蒸煮器之后，且于褐色原料洗涤器系统期间或其之后。本发明的一个实施方案在一般温度下或高温下利用在大多纤维水泥纸浆磨机中漂白设备中可得到的现有的设备，进行彻底的反向流动的纸浆清洗。较佳地为多重漂白塔，其典型为一系列连续堵流反应器，利用于浸泡纸浆且将COD及其它杂质自纤维素巢室壁扩散出进入溶液中。接着在漂白设备的洗涤器中经由脱水纸浆移除COD及其它杂质，且将非所希望的成份转移至废水中。有利地，本发明的较佳的实施方案的技术能生产具有低COD含量及高纯度的纸浆而维持纤维强度，纤维长度、及其它对纤维强化水泥复合材料制造商重要的关键性纤维性质。此外，此技术执行简单且在某些实施方案中不须要加入化学物质。此技术可能降低在纸浆中COD含量达到约20％至80％。依据本发明配方及生产方法，将低COD纤维加入纤维水泥复合材料中，将在改良最终产物的各种物理及机械性质，且在制造方法中降低新鲜水的使用。
虽然前述的本发明较佳的实施方案的描述已展示，记述且指出本发明的基本新颖的特点，彼将可了解，各种省略、取代、及改变如说明的设备细节的形式，与其应用，其可由那些本领域普通技术人员所完成，而不偏离本发明的精神。因此，本发明的范围不应限于前述的讨论，但应由所附加的权利要求所定义。

Claims (66)

1.一种减少用于纤维强化水泥复合材料制造的纤维素纤维的化学需氧COD杂质的方法，该方法至少包含下列步骤：
在一水溶液之中将纤维加工预定的滞留时间，其中此溶液温度高于65℃；且
对溶液提供搅拌以促进包括COD化合物的杂质自纤维的空孔及小腔扩散，
其中所形成的纤维素纤维包含COD含量在少于5公斤/一吨的烤箱干燥纸浆。
2.如权利要求1所述的方法，在其中上述的水溶液中的纤维加工至少包含将纤维浸泡及反向流动清洗。
3.如权利要求1所述的方法，其中上述的溶液温度介于65℃与120℃之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中上述的滞留时间介于1至36小时之间。
5.如权利要求2所述的方法，其中上述的纤维加工的步骤至少包含在一系列清洗系统中将纤维浸泡的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其中上述的纤维加工的步骤至少包含在一系列的清洗系统的各项之中将纤维浸泡30分钟至2小时的步骤。
7.如权利要求5所述的方法，其中上述的纤维加工的步骤至少包含将纤维浸泡在至高达六个反应器中。
8.如权利要求7所述的方法，其中上述的反应器为漂白塔。
9.如权利要求5所述的方法，其中上述的纤维加工的步骤至少包含将纤维浸泡在一系列连续堵流漂白反应器中的步骤。
10.如权利要求5所述的方法，其中上述的纤维加工的步骤至少包含将纤维浸泡在一漂白反应器之中接着将纤维浸泡在漂白原料洗涤器之中的步骤。
11.如权利要求1所述的方法，其中上述的纤维加工至少包含在一清洗系统中加工纤维，而此清洗系统选自由洗涤器、贮存槽、反应器、混合器、搅拌器、泵、离心机、及滤膜压机所组成的群组。
12.如权利要求1所述的方法，其中上述的纤维加工的步骤至少包含在一清洗系统中加工纤维的步骤，而此清洗系统选自一类群，而此类群是由下列所组成：漂白反应器、漂白原料洗涤器、纸浆运输泵、纸浆分散/扩散螺杆进料器、原料混合器与搅拌器、漂白原料贮存塔、及漂白原料稠料器。
13.如权利要求1所述的方法，其中上述的杂质包含COD化合物。
14.如权利要求13所述的方法，其中上述的纤维加工步骤至少包含将至少一种化学物质引入溶液中的步骤，其中此化学物质可与COD化合物起化学反应且导致所述化合物变为更可溶解在水溶液中。
15.如权利要求14所述的方法，其中上述的化学物质选自由至少包含氧、臭氧、过氧化氢、及其混合物的化学物质所组成的群组。
16.如权利要求1所述的方法，其中上述的纤维加工的步骤至少包含将纤维维持在纸浆中呈水溶液浓度在1％至35％的步骤。
17.如权利要求1所述的方法，其中还包含在纤维加工之前，在褐色原料洗涤器系统之中清洗纤维。
18.如权利要求17所述的方法，其中上述的在褐色原料洗涤器系统之中清洗纤维的步骤包含在高于65℃的温度清洗纤维的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其中上述的在褐色原料洗涤器系统清洗纤维的步骤用以从纤维中除去大部分的杂质。
20.一种碎浆方法，该方法至少包含下列步骤：
提供一种去木质素的纤维物质；
将此去木质素的纤维物质转化成纤维纸浆；
使用一方法在高于65℃的高温下清洗此纸浆，而可自纸浆中移除大部分的COD成份；及
用额外的清洗循环将此纸浆加工以使移除残留的COD杂质，使COD含量在少于5公斤/一吨的烤箱干燥纸浆。
21.如权利要求20所述的碎浆方法，其中上述的额外的清洗循环将纸浆加工包含将纸浆在反向流动的水中浸泡以预定的滞留时间的步骤，其中该水温大于65℃。
22.如权利要求20所述的碎浆方法，其中提供一种去木质素的纤维物质的步骤包含将纤维物质作去木质素的步骤，其中该纤维物质选自由软木材、硬木材、农艺生料、及木质纤维素的生料所组成的群组。
23.如权利要求20所述的碎浆方法，其中上述的额外的清洗循环而将纸浆加工的步骤包含加入一化学物质、该化学物质可与在纸浆中的COD化合物反应、且导致此类化合物变为更可溶解在水溶液的步骤。
24.一种低COD纤维素纤维，该纤维包含COD含量在少于5公斤/一吨的烤箱干燥纸浆。
25.一种加有补强纤维素纤维的复合材料建筑材料，该建筑材料其中至少一部分的纤维带有COD含量在少于5公斤/吨。
26.如权利要求25所述的复合材料建筑材料，其中还包含水泥基质。
27.如权利要求26所述的复合材料建筑材料，其中上述的加入个别处理的纤维素纤维中的水泥基质是经热压的。
28.如权利要求25所述的复合材料建筑材料，其中上述的补强纤维为纤维素纤维，而该纤维素纤维是利用制浆工艺而由木质纤维素材料的纤维素纸浆制成。
29.如权利要求25所述的复合材料建筑材料，其中还包含粒料。
30.如权利要求29所述的复合材料建筑材料，其中上述的粒料为碾磨的二氧化硅。
31.如权利要求25所述的复合材料建筑材料，其中还包含一或更多密度改良剂。
32.如权利要求25所述的复合材料建筑材料，其中上述的还包含一种或多种添加剂。
33.一种用以形成复合材料建筑材料的材料配方，该配方中至少包含；
水泥黏合剂；
粒料；
一或更多密度改良剂；
一种或多种添加剂；及
纤维素纤维，其中至少一部分的纤维至少包含低COD纤维，其中低COD纤维带有COD含量在少于5公斤/一吨的烤箱干燥纸浆。
34.如权利要求33所述的配方，其中上述的水泥黏合剂选自波特兰水泥、高氧化铝水泥、石灰、高磷酸盐水泥，及碾磨粒化的熔矿炉熔渣水泥、及其混合物组成的群组。
35.如权利要求33所述的配方，其中上述的粒料选自碾磨二氧化硅、非结晶形的二氧化硅、微二氧化硅、硅藻土、煤燃烧的飘扬灰烬与底部灰烬、稻壳灰烬、熔矿炉熔渣、粒状熔渣、钢熔渣、矿物氧化物、矿物氢氧化物、黏土、菱镁矿或白云石、金属氧化物及氢氧化物、及聚合的珠粒、及其混合物所组成的群组。
36.如权利要求33所述的配方，其中上述的密度改良剂选自由塑料材料、膨胀的聚苯乙烯、玻璃及陶瓷材料、硅酸钙水合物、微球体及火山灰其至少包含珍珠岩、浮石、锡拉(shiraua)玄武岩、及呈膨胀形式的沸石、及其混合物所组成的群组。
37.如权利要求33所述的配方，其中还包含额外的纤维，该额外的纤维选自由天然无机纤维，合成的聚合物纤维，一般的纤维素纤维及其混合物所组成的群组。
38.如权利要求33所述的配方，其中上述的低COD纤维经纤维化使自由度在150至750度的加拿大标准自由度。
39.如权利要求33所述的配方，其中上述的低COD纤维至少包含2％-20％的配方重量。
40.如权利要求33所述的配方，其中至少包含10％-80％重量的水泥。
41.如权利要求33所述的配方，其中至少包含20％-80％重量的二氧化硅。
42.如权利要求33所述的配方，其中至少包含0％-50％重量的轻量密度改良剂。
43.如权利要求33所述的配方，其中至少包含0％-10％重量的添加剂。
44.如权利要求33所述的配方，其中上述的低COD纤维，相较于采用相等的配方、该配方内含的纤维具有COD含量大于5公斤/吨而制作的纤维水泥复合材料，可改良纤维水泥复合材料的破裂模量大于10％。
45.如权利要求33所述的配方，其中，相较于采用相等的配方、该配方内含的纤维具有COD含量大于5公斤/吨而制作的纤维水泥复合材料，上述的低COD纤维可改良纤维水泥复合材料的弹性模量大于10％。
46.如权利要求33所述的配方，其中，相较于以相等的配方制作、且该配方内含的纤维具有COD含量大于5公斤/吨纤维水泥复合材料，上述低COD纤维改良纤维水泥复合材料的极限应变的程度大于10％。
47.如权利要求33所述的配方，其中，与以相等的配方制作、且该配方内含的纤维具有COD含量大于5公斤/吨者相较，上述的低COD纤维可降低在生产纤维水泥复合材料中释出至加工水的COD量大于10％。
48.如权利要求33所述的配方，其中，相较于采用相等的配方、该配方内含的纤维具有COD含量大于5公斤/吨而制作的纤维水泥复合材料，上述的低COD纤维可改良纤维水泥复合材料的韧性物理及机械性质。
49.一种制造使用低COD纤维的纤维强化水泥复合材料的方法，该方法包含下列步骤：
制备纤维使带有低杂质含量，其中所述低杂质纤维包含COD含量在少于5公斤/一吨的烤箱干燥纸浆；
将此低杂质纤维混合以水泥黏合剂及其它成份以形成纤维水泥混合物；
将此纤维水泥混合物形成为预先选择的形状及尺寸的纤维水泥物品；及
将此纤维水泥物品硬化以使形成纤维强化的复合材料建筑材料。
50.如权利要求49所述的方法，其中上述的各纤维是作个别处理的纤维素纤维。
51.如权利要求49所述的方法，其中上述的制备低杂质纤维至少包含在一溶液之中在65℃以上将纤维作反向流动清洗的步骤。
52.如权利要求49所述的方法，其中上述的制备低杂质纤维还包含将化学物质加入清洗溶液中的步骤，其中此化学物质与在纤维中的COD成份起化学反应且导致COD成份成为更可溶解在水溶液中。
53.如权利要求49所述的方法，其中还包含以预选择的浓度将纤维分散，且将纤维作纤维化至预选择的自由度范围。
54.如权利要求49所述的方法，其中还包含将纤维分散至1％至6％的浓度的步骤。
55.如权利要求49所述的方法，其中还包含将低COD纤维作纤维化至自由度在150至750度的加拿大标准自由度的步骤。
56.如权利要求55所述的方法，其中上述将纤维作纤维化至少包含使用由水纸浆机、精制机、锤磨机、球磨机、及去絮片机组成的群组中选出的设备的步骤。
57.如权利要求49所述的方法，其中还包含将纤维混合以粒料、密度改良剂及添加剂的步骤。
58.如权利要求49所述的方法，其中上述的形成纤维水泥物品的步骤至少包含使用形成物品的方法的步骤，该方法选自由Hatwhek薄片方法、Mazza管式方法、Magnani方法、射出成形、挤出成形、手积层、模制、铸造、滤膜加压、长网造纸机成形、复线成形、间隔叶片成形、间隔滚动/叶片成形、贝耳滚动成形、及其组合所组成的群组。
59.如权利要求49所述的方法，其中上述的形成纤维水泥物品的步骤还包含加压、浮雕图案形成纤维水泥物品、及其它后成形方法。
60.如权利要求49所述的方法，其中上述的硬化纤维水泥物品的步骤包含预硬化且硬化的步骤。
61.如权利要求60所述的方法，其中上述的纤维水泥物品在室温下预硬化至高达80小时。
62.如权利要求60所述的方法，其中上述的纤维水泥物品在室温下预硬化至高达24小时。
63.如权利要求60所述的方法，其中上述的纤维水泥物品在一热压炉之中硬化。
64.如权利要求63所述的方法，其中上述的纤维水泥物品在60至200℃高温高压下作热压3至30小时。
65.如权利要求63所述的方法，其中上述的纤维水泥物品在60至200℃高温高压下作热压24小时或更短。
66.如权利要求63所述的方法，其中上述的硬化的纤维水泥物品包含空气硬化至高达30天。
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